受限在纳米尺度下甲烷水合物的动力学性质的研究

【摘要】：人类的生存和发展离不开能源,能源是人类赖以生存的物质基础。目前的主要能源是天然气、石油和煤炭,但是由于这类燃料的储量日趋减少,为了防止能源枯竭,需要开发高效、清洁并且储量丰富的新能源[1-2]。可燃冰的分子结构式为：CH4·5.75H20,即标准的甲烷笼形水合物中每5.75摩尔的水中就含有1摩尔的甲烷。因此它又可以称为甲烷水合物,是一种固体的笼状水合物,水分子排列形成笼状,将甲烷分子包含其中。甲烷的燃点非常低,是一种是极易燃烧的可燃性气体,并且燃烧之后不会产生污染环境的废气,是一种清洁能源。甲烷水合物的储量十分丰富,据估测大约是天然气的储量的2-10倍,平均每立方米的甲烷水合物大约能够释放出168立方米的甲烷。虽然甲烷水合物的发现已经有二百多年的历史,但是直到最近50年,科学家们才开始从微观层次上去深入研究其形成机理[3]。由于甲烷水合物的凝结核非常小,现在的实验手段尚且无法动态跟踪原子的运动轨迹,因此想要通过实验在原子层次上研究甲烷水合物形成机制与动力学行为是很难以实现的[4]。当前行之有效的方法是利用分子动力学模拟来模拟甲烷水合物的形成和演化过程,并阐明其中的物理机制[5-6]。所以甲烷在受限的水环境中的性质的研究十分重要。 而且,近年来经过不断的研究,我们已经发现,水分子在纳米尺度下表现出来的性质与宏观相大不一样。目前从纳米水平上认识事物,是研究的一大热点,对水分子通过纳米通道的研究也需要我们从分子水平上控制和理解。受限在纳米孔道内的水分子拥有许多优秀特性,例如有序的水结构,非菲克型扩散和额外的快速运动的水流。水分子在碳纳米管中的所表现出来的这些优越的物理性能都为纳米输运技术的发展奠定了基础。最重要的是,这些优越性能开辟出了崭新的研究领域。 对于碳纳米管中水分子的研究和大体积下甲烷水合物自发的的成核及生长过程的研究,我们已经知道了,然而我们还不清楚的是甲烷分子受限在纳米水环境空间中的性质。 在本文中我们会选用分子动力学模拟的方法,从分子水平上进一步研究甲烷分子与水分子受限在碳纳米管中时,它们的动力学行为和性质,主要内容如下： 第一章主要介绍了碳纳米管及甲烷水合物的知识背景和研究现状,介绍了本文的主要研究方法及研究内容。 第二章简略的介绍了分子动力学,主要包括分子动力学的简史、优势和限制、基本原理、势函数和力场、运动方程、平衡态系统模拟、初始条件以及边界条件等。 第三章运用分子动力学的方法设计了甲烷和水分子受限在碳纳米管中这一系统,通过改变甲烷的密度,观察甲烷和水分子在受限空间中的分布和动力学性质。 第四章建立一系列带不同电荷量的碳纳米管,并不断调节碳纳米管所带电荷量的大小,来研究其中水分子的动力学性质,为以后甲烷水合物处于带电碳纳米管中的研究奠定基础。 第五章总结与展望 【关键词】：甲烷 水分子 碳纳米管 分子动力学模拟
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O561
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 模拟内容11-13
• 1.3 模拟方法13-14
• 第二章 分子动力学简介14-27
• 2.1 分子动力学简史14-15
• 2.2 分子动力学优势和限制15-16
• 2.3 分子动力学主要原理16-19
• 2.3.1 动力学模拟主要的力学定律-牛顿运动方程17
• 2.3.2 模拟体系中粒子运动方程的求解17-19
• 2.4 模拟中的势函数与力场19-22
• 2.4.1 非键相互作用(Enobond)20-22
• 2.4.2 成键相互作用(Ebond)22
• 2.5 动力学模拟的原胞22-23
• 2.6 周期性边界条件23
• 2.7 动力学系统模拟23-25
• 2.7.1 微正则系综(N,V,E)23-24
• 2.7.2 正则系综(N,V,T)24-25
• 2.7.3 等温等压系综模拟(N,P,T)25
• 2.8 GROMACS简介25-27
• 第三章 受限在纳米水环境空间中的甲烷分子27-35
• 3.1 引言27-28
• 3.2 模型与方法28-31
• 3.3 结果与分析31-33
• 3.3.1 径向密度分布31-32
• 3.3.2 扩散系数32-33
• 3.3.3 平均氢键33
• 3.4 小结33-35
• 第四章 水通过带电纳米管的输运35-41
• 4.1 引言35-36
• 4.2 模型和主要参数36-37
• 4.3 模拟结果和讨论37-40
• 4.4 结论40-41
• 第五章 总结和展望41-43
• 5.1 研究的结论41
• 5.2 研究展望41-43
• 参考文献43-47
• 硕士期间发表的论文47-48
• 致谢48-50

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